前言
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本文作者赵杭天。他参加了“2022 RTE（Real-time Engagement,实时互动） 编程挑战赛”——“赛道二 场景化白板插件应用开发” ， 并凭借作品“成语解谜”获奖。“成语解谜”是一个基于互动白板 SDK 的互动小游戏应用。通过前端编码、调用白板 API 能力、定制化后端逻辑等，实现了一个老少咸宜、寓教于乐的成语解谜游戏。其中的流程、步骤与相关的技术栈在白板互动应用开发上具有一定的通用性。本文将分享该项目的开发过程，包括一些关键功能的实现，希望与各位同学一起交流，共同进步。大家可以访问 game.willtian.cn/idiom2/，在线体验该作品。
01 选题
为什么要做这样一款小游戏？有几个原因。
零几年刚上小学的时候，第一次接触到电脑和教育软件，里面有一些小游戏，真的会被引导去学习到一些东西，比如一些名词概念、科学常识，对小孩子挺有帮助。
“白板”两个字，给我的第一感觉是回到了校园。在学校里都能遇到很好的同学和老师，有很多美好的回忆。小时候喜欢读成语字典，就像看故事书，然后在教室里也会玩一些类似成语解谜这样的字谜游戏。
20 年疫情在家会玩一些益智休闲游戏，能玩到自己做的游戏，感觉很开心。另外，这类游戏很适合碎片化的时间，并且能让用户学习到一些东西。尤其适合小朋友和喜欢休闲游戏的大朋友；对于长辈，操作上比较友好，内容也容易引起共鸣。从市场和社会上看，都是有价值的。
02 什么是互动白板 SDK
互动白板的正式名称叫声网 Flat，官方的解释是：“个人老师可直接使用的在线授课软件，开箱即用，前后端完全开源，快速搭建简约美观的在线教室”。它运行起来初始界面长这样子：
互动白板初始界面
左侧工具栏图标告诉我们，这是一个可以在上面写写画画的东西。它具有这些特点：
1.互动性，每个房间对应一个互动白板，默认情况下，房间内所有人都可以操作白板，并且交互效果所有人可见的；
2.扩展性，除基本的书写、涂鸦功能外，互动白板支持自定义应用（点击工具栏最下面的“田”字型图标查看所有应用）；
个人认为支持各种 APPs 是 Flat 互动白板最强大的功能，通过 Flat 提供的 SDK 能力，我们可以实现许多复杂的功能的白板应用。
每个房间对应一个白板
互动白板的内容，包括文字、涂鸦以及 App，可由 SDK 中的 Window Manager 对象来控制。可以通过官方提供的 demo 来快速熟悉一个App开发流程。利用 Window Manager 的 API 接口，我们可以完成应用实例通信等操作，具体例子请见后文。
03 架构规划
在展开具体例子前，先介绍“成语解谜“项目的整体框架。如下图，我们将前后端分离的方式，前端专注页面绘制与互动，后端专注题目生成与结果判断。用户访问前端页面无需下载全量词库，大幅提高访问速度。前端利用 Window Manager 的 context API 接口，在声网服务器上进行 App 实例的同步与广播。
前端 App 实例与声网服务、游戏后端的通信
04 界面设计
我们采用“设计驱动”的开发模式，首先画出设计图，然后一步一步的把脑海里的画面通过代码变成现实 :
设计草图
游戏主界面设计图如上，交互设计如下：
1.谜面随机出现若干个成语，这些成语由公共字进行关联，作为生成的约束条件；
2.成语间关联的公共字被挖走并随机排列，作为候选字；
3.用户通过“触摸->拖拽->放置” 交互操作候选字的完成对谜面的补全；
4.“提交”得到对用户谜面的判断结果，分别对应通关与未通过的场景；
5.“重置”将谜面和候选字恢复到游戏初始状态；
6.“答案”通过弹窗展示谜面包含成语的信息，包括字型、字音、释义、出处以及用例；
（对于比较复杂的场景，建议把场景直接切换的逻辑都画出来，形成一个比较完成的需求文档）
抓住主要矛盾，优先完成核心功能的开发，实现产品原型后，再继续打磨，解决次要矛盾。
05 前端开发
完成游戏基本界面设计后，我们开始选择前端框架并完成界面开发。
适合游戏开发的前端框架很多，Three.js、Phaser、Cocos2d-js等，针对具体需求选择。个人感觉 Three.js 比较底层，用来写游戏代码量可能比较大。Cocos2d-js 封装程度较高，需要熟悉Cocos的工具链，对于非专业做游戏的同学而言，上手难度不低而且技术可迁移性不高。
这里选择的是 PixiJS，PixiJS 是一个基于 2D WebGL 的渲染引擎，兼容HTML5 Canvas。它有一系列合理、整洁的 APIs，支持 Sprite，将对象抽象为各种层级的 Container。类似 React/Vue 数据驱动的设计，在 PixiJS 中，通过修改 Container 的参数，即可产生用户界面的变化。Pixi 的 API 实际上是 Flash 率先使用的，经过反复改进，有 Flash 经验的同学极易上手。
入口
以“成语解谜”为例，我们来介绍编码的一些细节。首先我们找到自己代码的挂载点，根据文档给出的 demo 或者本文提供的例子，找到这个入口文件：
自定义应用的入口（src/index.js）
注意到const box = context.getBox();这一行，box 对应这个应用打开的窗口。我们通过box.mountContent向窗口挂载了包含我们的 App 实例的 div 容器$content。
App 类
接下来，我们定义 App 类。关键代码如下。
App 类（src/app.js）App 类中持有一个PIXI.Application实例，此外 App 类还持有一些相对 App 维度上的变量与方法，例如：从setup（见 src/index.js）里透传的过来的context（用于调用 Window Manager 的 API）、App 实例的 id（用于前端区分 App 实例）、layers（图层）、resizeObserver（用于监听界面变化并自适应布局）getRandomString（生成每局游戏的 token，用于后端交互）、storage（用于在声网服务器上存取App的状态）等。
Scene类
我们为每个场景写一个 Scene 类，这里只有一个场景。App 类实例化了 Scene 类，并使用addChild将scene实例加入渲染。接下来我们为主界面写一个 Scene。关键代码如下：
Scene 类（src/scene.js）
在 Scene 的构造函数里实例化了“提交”、“重置”和“答案”三个按键，并定义了对应事件。我们在 Scene 里实例化了类 Idiom，一个 Idiom 实例对应一套字谜与候选字，Idiom 又有子对象 Piece，Piece 对应具体的每一个字块。由于 Scene 的按键事件函数的需要，我们把Piece 状态的保存/读取方法写在了 Scene 类里。
Idiom 类 & Piece 类
我们在 Idiom 类里定义了谜面与候选字的（Piece）字块生成方法、重置方法、拖拽生效方法。在 Piece 类中实现拖拽时的外观行为。
Idiom 类（src/idiom.js）
Piece 类（src/piece.js）
整体效果
主界面运行效果
06 后端开发
实例关联与隔离
由于词库比较大，用户每次加载完整词库会消耗较多的带宽和时间，对用户体验影响较大。我们通过搭建后端将谜面的获取、提交结果的验证、答案的获取，进行服务化，提升用户体验。
如上文“架构规划”所述，我们和每个 App 实例均持有一个 token，用于与后端通信时，对应上后端的游戏实例对象。UserGames 的 key 即为 token，在接受到浏览器发来的请求后，后端会在 UserGames 中查找相应的游戏实例 BoardGame，并得到当前的游戏状态，包括谜面 table、答案 answers、答案解析 answerDetail 等。
使用 UserGames 的 key(token) 来隔离游戏实例，并与前端 App 实例关联
谜面生成
谜面是怎么生成的呢，基本的算法思路是：
1.预处理成语库，建立所有成语的字索引NthOfChar *[]map[rune][][]rune，保存第 n 个字为 m 的信息；
2.使用 DFS 递归搜索谜面。在当前成语找一个字 k 作为下一个生成开始的节点，根据约束条件，选定新成语以及新成语摆放位置：
a. k 必须出现在新成语中；
b. 新成语放置后须保证当前谜面不被破坏；
搜索的过程中使用索引NthOfChar实现剪枝；
多解兼容
我们通过生成算法形成的谜面同时会产生 1 个唯一的答案。但实际上可能答案并不唯一，尤其是在成语较多时，交换某几个字，亦可生成合理的答案。针对这种情况，我需要逐个校验用户提交的成语。若成语库里总共有 N 个成语，对成语库的成语生成字典树 Trie，可以将查找时间复杂度从 O(N) 下降到 O(1)，最多 4 次搜索。
全局单例
负责游戏实例生成的结构体 GlobalBoard 储存了全量成语以及中间数据信息，作为全局单例，减少内存拷贝；对于每个问题（谜面）获取的请求，直接返回 GlobalBoard 生成结果的拷贝。
使用全局单例与状态拷贝的方式优化内存使用
07 App 实例通信
实例状态的同步
到目前为止，我们基本实现单用户的游戏。但是当我们打开两个浏览器 tab 模拟多用户操作时会发现，App 的交互仅对当前用户生效，其他用户是无感知的。表现为，A 用户打开 App，拖拽到 App 窗口合适的位置，开始游戏，将候选词与空字块交换，然后提交；同时，B 用户在同一房间，却只看到了 A 打开 App，拖拽 App，看到的 App 内容与 A 的 App 展示内容并不同步，也感知不到 A 对 App 做的操作（能看到 A 鼠标光标运动，这是 Flat 兜底的同步逻辑）。
针对当前问题，我们可以自然想到必须有某种机制，使用户在本地对 App 实例操作后，同步状态到某个所有用户可访问的远端服务里，然后通知所有用户将远端服务储存的状态同步到本地 App 实例中，重新渲染 App 画面，这样才可以实现多用户的互动。
谈到这里，大家可能会想到，那我们是否可以在自己写的后端服务中加入同步功能呢？让我们构思一下做这样的同步功能需要做哪些事：
1.设计一套通信机制，本地实例能够主动感知远端状态的更新；
2.处理好超时、重连、弱网等问题；
3.延迟足够低，能接受业务波动的负载；
4.服务经过充分的测试，足够稳定；
仔细思考会发现，稳定可靠的实时通信其实是一个比较大的课题，并不应该成为实现业务、产生业务价值的一个主要工作，换言之，自己造轮子的投入产出并不高。声网在实时网络通信领域耕耘多年，基于其技术积累，在 Flat 项目中提供一系列非常有用的通信 APIs，这些 APIs 设计与 React 很像，比较容易上手。下面我们通过这些 APIs 进行同步与广播，解决互动性的问题。
让我们回到前端代码里，在 app.js 的 App 类做一些修改：
初始化实例的storage
我们给每个 App 实例持有一份storage对象，storage对象来自白板应用创建时得到的 context。这里的storage.ensureState用以确保storage.state包含某些初始值。context.storage实际上关联了远端服务的一个存储实例，它实时监听到本地 storage 的变化，当变化发生时，将自动同步最新的 storage 到服务端。即使是不同的用户，同一房间相同的应用实例，实际上会对应到同一个远端 storage，画一张图直观一些：
storage关联关系图
弄明白 storage 的同步特性，我们要做的就是在游戏状态发生变化的时候更新 context.storage，以及增加监听 context.storage 变化的回调事件，将远端 context.storage 同步到游戏（应用实例）中。
我们将状态的 push/pull 方法做封装，使代码更利于维护。这里的storage.setState和 React 的 setState 类似，更新storage.state并同步到所有客户端。
游戏状态 ->远端storage
增加监听事件，addStateChangedListener在有人调用storage.setState()后触发 (包含当前storage) ，在这里我们编写将远端storage同步到游戏状态的逻辑。
远端 storage ->游戏状态
分布式锁
设想这么一个场景，我们的用户需要共同操作同一个 App 实例，比如共同完成一场解谜游戏，用户 A、B 几乎同时点击了“提交”，后端接到提交请求，判断答案正确，然后为游戏实例分发新的题目，此时，若后端在为 A 分发题目的过程中 B 的请求到达，且也给 B 分发新的题目，会导致 A、B 前端收到不一致的新题目。此外，还有一种场景，用户 C 因为弱网或其他原因，提交后未马上收到反馈，重复频繁地点击提交，将导致发起重复请求，用户较多且请求时间集中时，容易导致负载波动，影响服务质量。
因此，我们有必要为“提交”增加一个分布式的锁，使在某个 App 实例里，所有时间里，只能由一个用户提交。
通过 context.storage 实现分布式锁
实例广播
当对于某个 App 实例，某个用户提交通过得到新的游戏状态（新的谜面与候选词等）后，需要将状态同步给其他用户。实际上我们可以将获取新游戏与状态写入本地游戏这两步分离，在进行广播时自己也会接收到，所有包括自己在内的用户监听到广播立即写入本地游戏。如图所示：
先获取新状态再通过广播进行状态同步的流程
我们可以利用广播与监听API context.dispatchMagixEvent(event, payload)和context.addMagixEventListener(event, listener)上述功能：
在游戏状态发生变化（提交成功和重置）时广播
监听广播发生，并根据具体事件做不同操作
至此，我们的跨越前后端的实例通信部分也完成了，实现了用户对 App 实例操作时交互的同步，并处理了如同时、重复提交这类的并发问题。此类问题在其他互动应用的开发中也普遍存在，这里提供了一些参考。
08 小结
声网 Flat 开源项目提供了白板 SDK，支持开发自定义 App，为在线教育和白板应用提供了巨大的想象空间。本次分享从一个初次接触 Flat 开发者的视角，介绍了互动白板的特点，并从基于实际例子——完成一款互动小游戏，分享了小游戏前端框架的选择与使用、整体架构设计思路、后端开发流程等。同时介绍一些实用的 window-manager API，并在实战中如何使用这些 APIs 来快速解决一些原本比较复杂的问题。希望能对大家开发Flat白板自定义应用、在线互动小游戏中提供一些参考和帮助。由于时间仓促，仍存在许多有待完善和优化的点，请大家不吝指出。抛砖引玉，互动教育、教育游戏等在国内外仍有较大的市场前景，希望与大家有更多的交流与合作，谢谢大家。
参考
成语解谜：
- https://github.com/Zhao-hangtian/happy-star
大赛作品仓库：
https://github.com/AgoraIO-Community/RTE-2022-Innovation-Challenge
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网页题目：基于声网Flat实现“成语解谜”的Web小游戏-创新互联
文章URL：
http://cdkjz.cn/article/cddioo.html
